滚动轴承故障诊断

滚动轴承故障诊断

滚动轴承故障诊断

旋转机械是设备状态监测与故障诊断⼯作的重点，⽽旋转机械的故障有相当⼤⽐例与滚动轴承有关。滚动轴承是机器的易损件之⼀，据不完全统计，旋转机械的故障约有30％是因滚动轴承引起的，由此可见滚动轴承故障诊断⼯作的重要性。

最初的轴承故障诊断是利⽤听棒，靠听觉来判断。这种⽅法⾄今仍在沿⽤，其中的⼀部分已改进为电⼦听诊器，例如⽤电⼦听诊器来检查、判断轴承的疲劳损伤。训练有素的⼈员凭经验能诊断出刚刚发⽣的疲劳剥落，有时甚⾄能辨别出损伤的位置，但毕竟影响因素较多，可靠性较差。

继听棒、电⼦听诊器之后，在滚动轴承的状态监测与故障诊断⼯作中⼜引⼊了各种测振仪，⽤振动位移、速度和加速度的均⽅根值或峰值来判断轴承有⽆故障，这样减少了监测⼈员对经验的依赖性，提⾼了监测诊断的准确性，但仍很难在故障初期及时做出诊断。1966年，全球主要滚动轴承⽣产商之⼀，瑞典SKF公司在多年对轴承故障机理研究的基础上发明了⽤冲击脉冲仪（ShockPulse Meter）检测轴承损伤，将滚动轴承的故障诊断⽔平提⾼了⼀个档次。之后，⼏⼗家公司相继安装了⼤批传感器⽤于长期监测轴承的运转情况，在航空飞机上也安装了类似的检测仪器。1976年，⽇本新⽇铁株式会社研制了MCV系列机器检测仪（Machine Checker），可分别在低频、中频和⾼频段检测轴承的异常信号。同时推出的还有油膜检查仪，利⽤超声波或⾼频电流对轴承的润滑状态进⾏监测，探测油膜是否破裂，发⽣⾦属间直接接触。1976-1983年，⽇本精⼯公司（NSK）相继研制出了NB 系列轴承监测仪，利⽤1~15kHz范围内的轴承振动信号测量其RMS值和峰值来检测轴承故障。由于滤除了低频⼲扰，灵敏度有所提⾼，其中有些型号的仪器仪表还具有报警、⾃动停机功能。

随着对滚动轴承的运动学、动⼒学的深⼊研究，对于轴承振动信号中的频率成分和轴承零件的⼏何尺⼨及缺陷类型的关系有了⽐较清楚的了解，加之快速傅⾥叶变换技术的发展，开创了⽤频域分析⽅法来检测和诊断轴承故障的新领域。其中最具代表性的有对钢球共振频率的研究，对轴承圈⾃由共振频率的研究，对滚动轴承振动和缺陷、尺⼨不均匀及磨损之间关系的研究。1969年，H. L. Balderston根据滚动轴承的运动分析得出了滚动轴承的滚动体在内外滚道上的通过频率和滚动体及保持架的旋转频率的计算公式，以上研究奠定了这⽅⾯的理论基础。⽬前已有多种信号分析仪可供滚动轴承的故障诊断，美国恩泰克公司根据滚动轴承振动时域波形的冲击情况推出的“波尖能量”法及相应仪器，对滚动轴承的故障诊断⾮常有效。还有多种信号分析处理技术⽤于滚动轴承的状态监测与故障诊断，如频率细化技术、倒频谱、包络线分析等。在信号预处理上也采⽤了各种滤波技术，如相⼲滤波、⾃适应滤波等，提⾼了诊断灵敏度。

除了利⽤振动信号对轴承运⾏状态进⾏诊断监测外，还发展了其他⼀些技术，如光纤维监测技术、油污染分析法（光谱测定法、磁性磁屑探测法和铁谱分析法等）、声发射法、电阻法等

简易诊断法确定轴承已经发⽣故障之后，进⼀步判定故障的类别和发⽣部位，以便采取相应对策。

滚动轴承的精密诊断与旋转机械、往复机械等精密诊断⼀样，主要采⽤频谱分析法。由于滚动轴承的振动频率成分⼗分丰富，既含有低频成分，⼜含有⾼频成分，⽽且每⼀种特定的故障都对应特定的频率成分。进⾏频谱分析之前需要通过适当的信号处理⽅法将特定的频率成分分离出来，然后对其进⾏绝对值处理，最后进⾏频率分析，以找出信号的特征频率，确定故障的部位和类别。

⼀、轴承内滚道损伤

轴承内滚道产⽣损伤时，如：剥落、裂纹、点蚀等（如图1所⽰），若滚动轴⽆径向间隙时，会产⽣频率为nZfi（n＝1，2,…）的冲击振动。

图1 内滚道损伤振动特征

通常滚动轴承都有径向间隙，且为单边载荷，根据点蚀部分与滚动体发⽣冲击接触的位置的不同，振动的振幅⼤⼩会发⽣周期性的变化，即发⽣振幅调制。若以轴旋转频率f,进⾏振幅调制，这时的振动频率为nZf i⼠f r（n＝1，2…）；若以滚动体的公转频率（即保持架旋转频率）fc进⾏振幅调制，这时的振动频率为nZf i±f c（n＝1，2，…）。

⼆、轴承外滚道损伤

当轴承外滚道产⽣损伤时，如剥落、裂纹、点蚀等（如图2所⽰），在滚动体通过时也会产⽣冲击振动。由于点蚀的位置与载荷⽅向的相对位置关系是⼀定的，所以，这时不存在振幅调制的情况，振动频率为nZfo ( n＝1，2,…），振动波形如图2所⽰。图2 外滚道损伤振动特征

三、滚动体损伤

当轴承滚动体产⽣损伤时，如剥落、裂纹、点蚀等，缺陷部位通过内圈或外圈滚道表⾯时会产⽣冲击振动。

在滚动轴承⽆径向间隙时，会产⽣频率为nZf b（n＝1，2,…）的冲击振动。

通常滚动轴承都有径向间隙，因此，同内圈存在点蚀时的情况⼀样，根据点蚀部位与内圈或外圈发⽣

冲击接触的位置不同，也会发⽣振幅调制的情况，不过此时是以滚动体的公转频率fc进⾏振幅调制。这时的振动频率为nzf b⼠f c，如图3所⽰。

图3 滚动体损伤振动情况

四、轴承偏⼼

当滚动轴承的内圈出现严重磨损等情况时，轴承会出现偏⼼现象，当轴旋转时，轴⼼（内圈中⼼）便会绕外圈中⼼摆动，如图4⽰，此时的振动频率为nf r（n＝1, 2,…）。

图4 滚动轴承偏⼼振动特征

五、轴承部件损伤特征频率表

为⽅便轴承故障诊断，将以上与轴承部件损伤有关的特征频率列于表1中。

表1 轴承部件损伤特征频率表续表

由于滚动轴承的故障信号具有冲击振动的特点，频率极⾼，衰减较快，因此利⽤振动信号对其进⾏监测诊断时，除了参考前⾯已经介绍的旋转机械、往复机械的振动测试⽅法以外，还应根据其振动特点，有针对性地采取⼀些措施和⽅法。

⼀、测点的选择

滚动轴承因故障引起的冲击振动由冲击点以半球⾯波⽅式向外传播，通过轴承零件、轴承座传到箱体或机架。由于冲击振动所含的频率很⾼，每通过零件的界⾯传递⼀次，其能量损失约80％。因此，测量点应尽量靠近被测轴承的承载区，应尽量减少中间传递环节，探测点离轴承外圈的距离越近越直接越好。

图1表⽰了传感器位置对故障检测灵敏度的影响。在图1 (a)中，假如传感器放在承载⽅向时为100%，则在承载⽅向⼠45°⽅向上降为95％（- 5dB），在轴向则降为22%-25%（-12～13dB）。在图1 (b)中，当⽌推轴承发⽣故障产⽣冲击并向外散发球⾯波时，假如在轴承盖正对故障处的读数为100%，则在轴承座轴向的读数降为5%（-19dB)。在图1 (c) 和(d)中给出了传感器安装的正确位置和错误位置，较粗的弧线表⽰振动较强烈的部位，较细的弧线表⽰因振动波通过界⾯衰减导致振动减弱的情形。

图1 传感器位置对故障检测灵敏度的影响

由于滚动轴承的振动在不同⽅向上反映出不同的特性，因此应尽量考虑在⽔平（x）、垂直（y）和轴向（z）三个⽅向上进⾏振动检测，但由于设备构造、安装条件的限制，或出于经济⽅⾯的考虑，不可能在每个⽅向上都进⾏检测，这时可选择其中的两个⽅向进⾏检测。

⼆、传感器的选择与固定⽅式

根据滚动轴承的结构特点，使⽤条件不同，它所引起的振动可能是频率约为1kHz以下的低频脉动（通过振动），也可能是频率在1kHz以上，数千赫乃⾄数⼗千赫的⾼频振动（固有振动），通常情况下是同时包含了上述两种振动成分。因此，检测滚动轴承振动速度和加速度信号时应同时覆盖或分别覆盖上述两

个频带，必要时可以采⽤滤波器取出需要的频率成分。考虑到滚动轴承多⽤于中⼩型机械，其结构通常⽐较轻薄，因此，传感器的尺⼨和重量都应尽可能地⼩，以免对被测对象造成影响，改变其振动频率和振幅⼤⼩。滚动轴承的振动属于⾼频振动，对于⾼频振动的测量，传感器的固定采⽤⼿持式⽅法显然不合适，⼀般也不推荐磁性座固定，建议采⽤钢制螺栓固定，这样不仅谐振频率⾼，可以满⾜要求，⽽且定点性也好，对于衰减较⼤的⾼频振动，可以避免每次测量的偏差，使数据具有可⽐性。

三、分析谱带的选择

滚动轴承的故障特征在不同频带上都有反映，因此，可以利⽤不同的频带，采⽤不同的⽅法对轴承的故障做出诊断。1．低频段

在滚动轴承的故障诊断中，低频率段指1kHz以下的频率范围。

⼀般可以采⽤低通滤波器（例如截⽌频率fb≤1kHz）滤去⾼频成分后再作频谱分析。由于轴承的故障特征频率（通过频率）通常都在1kHz以下，此法可直接观察频谱图上相应的特征谱线，做出判断。由于在这个频率范围容易受到机械及电源⼲扰，并且在故障初期反映故障的频率成分在低频段的能量很⼩，因此，信噪⽐低，故障检测灵敏度差，⽬前已较少采⽤。2．中频段

在滚动轴承的故障诊断中，中频段指1～20kHz频率范围。同样，利⽤该频率时也可以使⽤滤波器。(1)⾼通滤波器

使⽤截⽌频率为1kHz的⾼通滤波器滤去1kHz以下的低频成分，以消除机械⼲扰；然后⽤信号的峰值、RMS值或峭度系数作为监测参数。许多简易的轴承监测仪器仪表都采⽤这种⽅式。(2)带通滤波器

使⽤带通滤波器提取轴承零件或结构零件的共振频率成分，⽤通带内的信号总功率作为监测参数，滤波器的通带截⽌频率根据轴承类型及尺⼨选择，例如对309球轴承，通带中⼼频率为2 .2kHz左右，带宽可选为1～2kHz。3．⾼频段

在滚动轴承的故障诊断中，⾼频率段指20～80kHz频率范围。

由于轴承故障引起的冲击有很⼤部分冲击能量分布在⾼频段，如果采⽤合适的加速度传感器和固定⽅式保证传感器较⾼的谐振频率，利⽤传感器的谐振或电路的谐振增强所得到衰减振动信号，对故障诊断⾮常有效。瑞典的冲击脉冲计（SPM）和美国⾸创的IFD法就是利⽤这个频段。

四、滚动轴承的简易诊断

利⽤滚动轴承的振动信号分析故障诊断的⽅法可分为简易诊断法和精密诊断法两种。简易诊断的⽬的是为了初步判断被列为诊断对象的滚动轴承是否出现了故障；精密诊断的⽬的是要判断在简易诊断中被认为出现了故障的轴承的故障类别及原因。1.滚动轴承故障的简易标准

在利⽤振动对滚动轴承进⾏简易诊断的过程中，通常需要将测得的振值（峰值、有效值等）与预先给定的某种判定标准进⾏⽐较，根据实测的振值是否超出了标准给出的界限来判断轴承是否出现了故障，以决定是否需要进⼀步进⾏精密诊断。因此，判定标准就显得⼗分重要。

⽤于滚动轴承简易诊断的判定标准⼤致可分为以下三种。(1)绝对判定标准

绝对判定标准是指⽤于判断实测振值是否超限的绝对量值。(2)相对判定标准

相对判定标准是指对轴承的同⼀部位定期进⾏振动检测，并按时间先后进⾏⽐较，以轴承⽆故障情况下的振值为基准，根据实测振值与该基准振值之⽐来进⾏判断的标准。(3)类⽐判定标准

类⽐判定标准是指对若⼲同⼀型号的轴承在相同的条件下在同⼀部位进⾏振动检测，并，将振值相互⽐较进⾏判断的标准。

需要注意的是，绝对判定标准是在标准和规范规定的检测⽅法的基础上制定的标准，因此必须注意其适⽤频率范围，并且必须按规定的⽅法进⾏振动检测。适⽤于所有轴承的绝对判定标准是不存在的，因此⼀般都是兼⽤绝对判定标准、相对判定标准和类⽐判定标准，这样才能获得准确、可靠的诊断结果。